[국내논문]지상용 전자전장비의 방향 탐지 프로세스 개선을 통한 정확도 향상에 관한 연구 A Study on the Accuracy Enhancement Using the Direction Finding Process Improvement of Ground-Based Electronic Warfare System원문보기
현대전은 점차 네트워크 중심전으로 변하고 있으며, 이의 중심인 정보 전자전 역시 지속적으로 발전하고 있다. 현대전에서 전자전은 전자파 사용과 관련된 군사 활동을 총망라하는 것으로 적의 전파 수집, 감청, 정보 분석 및 전파를 이용한 대응공격으로 대변된다. 그중 적에 대한 정보를 획득하기 위한 전파 수집 기능 중 방향 탐지 기능은 적의 방향으로부터 방사되는 신호를 수집하여 적의 방향을 계산하는 것으로 전자전 장비의 핵심 기능 중 하나이다. 본 논문은 방향 탐지 장치에 적용되는 Watson-Watt 알고리즘 및 CVDF 알고리즘에 대해 고찰한 후, 해당 알고리즘이 적용된 장치에 대해 전자파 환경이 양호한 지역에서의 방향 탐지 정확도와 실 운용 환경에서의 방향 탐지 정확도의 차이를 분석 하였다. 실 환경에서는 주변 지형지물에 의한 반사파가 방향 탐지 정확도 감소에 영향을 끼침을 확인하여 이를 개선하기 위한 개선된 프로세스를 제안하였으며, 개선된 프로세스를 통해 방향 탐지 정확도가 기존 운용 장비에 적용된 프로세스 대비 최소 $1.24^{\circ}$ 이상 개선됨을 확인하였다.
현대전은 점차 네트워크 중심전으로 변하고 있으며, 이의 중심인 정보 전자전 역시 지속적으로 발전하고 있다. 현대전에서 전자전은 전자파 사용과 관련된 군사 활동을 총망라하는 것으로 적의 전파 수집, 감청, 정보 분석 및 전파를 이용한 대응공격으로 대변된다. 그중 적에 대한 정보를 획득하기 위한 전파 수집 기능 중 방향 탐지 기능은 적의 방향으로부터 방사되는 신호를 수집하여 적의 방향을 계산하는 것으로 전자전 장비의 핵심 기능 중 하나이다. 본 논문은 방향 탐지 장치에 적용되는 Watson-Watt 알고리즘 및 CVDF 알고리즘에 대해 고찰한 후, 해당 알고리즘이 적용된 장치에 대해 전자파 환경이 양호한 지역에서의 방향 탐지 정확도와 실 운용 환경에서의 방향 탐지 정확도의 차이를 분석 하였다. 실 환경에서는 주변 지형지물에 의한 반사파가 방향 탐지 정확도 감소에 영향을 끼침을 확인하여 이를 개선하기 위한 개선된 프로세스를 제안하였으며, 개선된 프로세스를 통해 방향 탐지 정확도가 기존 운용 장비에 적용된 프로세스 대비 최소 $1.24^{\circ}$ 이상 개선됨을 확인하였다.
Modern warfare is gradually changing into a network war, and information electronic warfare is also progressing. In modern war, electronic warfare is all military activity concerned with electromagnetic field use, such as signal collecting, communication monitoring, information analysis, and electro...
Modern warfare is gradually changing into a network war, and information electronic warfare is also progressing. In modern war, electronic warfare is all military activity concerned with electromagnetic field use, such as signal collecting, communication monitoring, information analysis, and electronic attack. The one key function of signal collecting for enemy signal analysis, direction finding, collects the signal radiated from enemy area and then calculates the enemy direction. This paper examined the Watson-Watt algorithm for an amplitude direction finding system and CVDF algorithm for phase direction finding system and analyzed the difference in the direction finding accuracy between in the clean electromagnetic field environment and in the real operating field environment of electronic warfare system. In the real field, the direction finding accuracy was affected by the reflected field from the surrounding obstacles. Therefore, this paper proposesan enhanced direction finding process for reducing the effect. The result of direction finding by applying the proposed process was enhanced above $1.24^{\circ}$ compared to the result for the existing process.
Modern warfare is gradually changing into a network war, and information electronic warfare is also progressing. In modern war, electronic warfare is all military activity concerned with electromagnetic field use, such as signal collecting, communication monitoring, information analysis, and electronic attack. The one key function of signal collecting for enemy signal analysis, direction finding, collects the signal radiated from enemy area and then calculates the enemy direction. This paper examined the Watson-Watt algorithm for an amplitude direction finding system and CVDF algorithm for phase direction finding system and analyzed the difference in the direction finding accuracy between in the clean electromagnetic field environment and in the real operating field environment of electronic warfare system. In the real field, the direction finding accuracy was affected by the reflected field from the surrounding obstacles. Therefore, this paper proposesan enhanced direction finding process for reducing the effect. The result of direction finding by applying the proposed process was enhanced above $1.24^{\circ}$ compared to the result for the existing process.
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문제 정의
본 논문에서 제안한 프로세스를 적용하여 방향 탐지 정확도가 어느 정도 개선이 되었는지 검증하기 위하여 대역별 특정 주파수에 대한 결과를 살펴보았다. 제안된 프로세스는 주파수 정보에 독립적으로 적용되므로 대역별 일부 주파수에 대한 결과로 개선 결과를 확인할 수 있다.
단파(HF) 대역에 적용된 Watson-Watt 알고리즘 검증 결과 RMS (root mean square) α°로 측정 되었으며, 단파 대역 주파수 특성상 지면반사파 및 전리층 반사를 고려한다면, 양호한 측정 결과라 판단된다. 본 논문에서는 구체적인 수치를 보안상 제시하지 않으며 상대적으로 향상된 비교값을 제시한다. RMS 값은 식 (12)와 같이 계산한다.
본 논문에서는 무선통신 대역신호에 적용되는 HF 대역의 Watson-Watt와 V/UHF 대역의 CVDF 알고리즘이 적용된 방향 탐지 장치의 방향 탐지 정확도에 있어 주변 지형지물에 의한 반사파의 영향성의 최소화에 대해 고찰 하였다. 전자파 환경이 양호한 경우 방향 탐지 정확도는 양호하게 측정 되었으나, 실 운용 환경에서는 주변 지형 지물 등 방향 탐지 정확도 감소에 영향을 미치는 많은 인자가 존재 하며, 이러한 방해 인자 제거를 위한 개선된 방향 탐지 프로세스를 제안 하였다.
하지만 통신용 방향 탐지장치의 실제 운용환경은 적의 공격으로부터 장비 보호를 위해 은폐/엄폐된 방공호에서 운용되며, 이로 인해 지면반사파 및 주변 지형 등에 의한 반사파로 방향 탐지 정확도에 많은 악영향이 발생하게 된다. 본 논문에서는 방향 탐지 정확도에 방해가 되는 요소가 반영된 실 야전 운용환경에서 발생하는 반사파의 영향성을 최소화하기 위한 개선의 필요성이 대두되었다. 즉, 전파환경이 양호한 지역에서 측정된 방향 탐지 정확도 값(그림 7∼8) 대비 실 야전환경의 방향 탐지 정확도가 감소하는 것으로 확인되었다.
본 논문에서는 현재 운용되는 지상용 전자전장비의 통신용 대역신호 방향 탐지 알고리즘에 대해 고찰을 하고, 실제 운용환경에서의 방향 탐지 측정 결과를 바탕으로 주변지형지물 및 반사체가 방향탐지정확도에 미치는 영향성을 분석하고 방향 탐지 정확도를 저하시키는 장애물의 영향을 최소화하기 위한 프로세스를 제안하고 자 한다.
실 운용환경에서 발생되는 방향 탐지 오차를 최소화 하기 위해 본 논문에서는 기존 방향 탐지 프로세스의 개선 방향을 제안한다. 그림 11에서 수신 신호의 세기가 클수록 방향 탐지 오차가 급격히 줄어드는 것을 확인하였으므로 방향 탐지 안테나에 입사된 다수(미리 설정된 방향 탐지 횟수만큼 수신) 신호의 신호 세기 정보를 추출하여 최대 수신 세기 대비 10 dB 이하의 수신 신호만 방향 탐지 산출에 활용하여 오차를 유발하는 신호 세기가 낮은 신호를 방향 탐지 산출에 배제하는 방향으로 프로세스를 개선하였다.
통신용 방향 탐지 방식에는 수신되는 신호의 진폭을 이용한 Waston-Watt[6-8]알고리즘 방식, 수신신호의 위 상을 이용한 CVDF (correlation vector direction finding)[9-10]알고리즘 방식, MUSIC (multiple signal classification), ESPRIT (estimation of signal parameters via rotational invariance techniques)[11-13]알고리즘 방식 등이 있으나 본 논문에서는 Watson-Watt 방식과 CVDF 방식에 대해 살펴본다.
제안 방법
전자파 환경이 양호한 경우 방향 탐지 정확도는 양호하게 측정 되었으나, 실 운용 환경에서는 주변 지형 지물 등 방향 탐지 정확도 감소에 영향을 미치는 많은 인자가 존재 하며, 이러한 방해 인자 제거를 위한 개선된 방향 탐지 프로세스를 제안 하였다. 개선된 프로세스는 주파수에 의존적이지 않고 독립적으로 작용하므로 방향 탐지 장치가 운용되는 대역 별 대표 주파수를 선정하여 신호 수집 및 방향 탐지 결과를 분석하였다. 개선된 프로세스의 적용 결과 방향 탐지 정확도는 최소 1.
실 운용환경에서 발생되는 방향 탐지 오차를 최소화 하기 위해 본 논문에서는 기존 방향 탐지 프로세스의 개선 방향을 제안한다. 그림 11에서 수신 신호의 세기가 클수록 방향 탐지 오차가 급격히 줄어드는 것을 확인하였으므로 방향 탐지 안테나에 입사된 다수(미리 설정된 방향 탐지 횟수만큼 수신) 신호의 신호 세기 정보를 추출하여 최대 수신 세기 대비 10 dB 이하의 수신 신호만 방향 탐지 산출에 활용하여 오차를 유발하는 신호 세기가 낮은 신호를 방향 탐지 산출에 배제하는 방향으로 프로세스를 개선하였다. 해당 프로세스는 설정된 방향 탐지 횟수가 2 이상이어야 하며, 최종 추출된 신호 수가 7이상이어야 신뢰성있는 결과값을 도출한다.
일반적인 방향 탐지장치의 구성은 안테나부, 수신부, 신호처리부로 구성되어 있으며, 앞서 언급한 방향 탐지 알고리즘의 방향 탐지 정확도 시험을 실시하였다. 방향 탐지 정확도 시험은 ITU (international telecommunication union)[14]에서 권고하는 주변 장애물, 다른 무선주파수로부터 간섭 영향성이 적은 지역의 시험장에서 실시하였으며, 시험 시 지면반사파의 영향을 최소화하기 위해 지면으로부터 약 10m 이상 높이에 설치하였으며, far filed 조건을 만족시키기 위해 충분한 송수신간 이격거리를 충분히 유지하여 측정 하였다. 측정환경은 그림 6과 같다.
일반적인 방향 탐지장치의 구성은 안테나부, 수신부, 신호처리부로 구성되어 있으며, 앞서 언급한 방향 탐지 알고리즘의 방향 탐지 정확도 시험을 실시하였다. 방향 탐지 정확도 시험은 ITU (international telecommunication union)[14]에서 권고하는 주변 장애물, 다른 무선주파수로부터 간섭 영향성이 적은 지역의 시험장에서 실시하였으며, 시험 시 지면반사파의 영향을 최소화하기 위해 지면으로부터 약 10m 이상 높이에 설치하였으며, far filed 조건을 만족시키기 위해 충분한 송수신간 이격거리를 충분히 유지하여 측정 하였다.
전자파 환경이 양호한 경우 방향 탐지 정확도는 양호하게 측정 되었으나, 실 운용 환경에서는 주변 지형 지물 등 방향 탐지 정확도 감소에 영향을 미치는 많은 인자가 존재 하며, 이러한 방해 인자 제거를 위한 개선된 방향 탐지 프로세스를 제안 하였다.
성능/효과
HF 대역(주파수 γ MHz)은 약 2.59°의 방향 탐지 개선 효과가, VHF 대역(주파수 δ MHz)은 약 1.47°의 개선 효과가, UHF 대역(주파수 ε MHz)은 약 1.24°의 개선 효과가 확인되었다.
개선된 프로세스의 적용 결과 방향 탐지 정확도는 최소 1.24° 이상 개선됨을 확인하였다.
그림 13∼15의 히스토그램에서 볼 수 있듯이 방향 탐지를 위해 계산되는 데이터 중 불필요한 많은 데이터가 제거됨으로써 제안된 프로세스 적용 시 방향 탐지 결과의 정확도가 개선 전 대비 최소 1.24° 이상 개선됨을 확인할 수 있다.
24° 이상 개선됨을 확인하였다. 기존 프로세스는 수신된 모든 신호를 방향 탐지 계산에 활용한 것에 반해 제안된 프로세스는 신뢰도가 낮은 즉, 신호 세기가 낮은 신호를 방향 탐지 산출에서 배제함으로써 결과값의 정확도를 향상시킬 수 있었다. 본 논문에서 제안하는 프로세스는 적용 주파수와 무관하므로 향후 방향 탐지를 하는 모든 장치에 적용될 수 있을 것으로 기대된다.
단파(HF) 대역에 적용된 Watson-Watt 알고리즘 검증 결과 RMS (root mean square) α°로 측정 되었으며, 단파 대역 주파수 특성상 지면반사파 및 전리층 반사를 고려한다면, 양호한 측정 결과라 판단된다.
또한 V/UHF (very / ultra high frequency) 대역에 적용된 CVDF 알고리즘 검증 결과 낮은 주파수 대역에서 방향 탐지 오차가 다소 높게 측정 되었는데 이는 원형 배열안테나 간격의 제한 사항으로 인한 것으로 상대적으로 낮은 주파수일수록 오차가 커지는 결과가 나온다. 측정결과 RMS β°로 전파환경이 양호한 경우에는 적용된 알고리즘이 실 장비에서도 충분히 적용 가능함을 확인할수 있었다.
반사파에 의한 방향 탐지 결과값의 유형을 분석하기 위하여 수신 신호세기별 방향 탐지 결과 오차를 확인 하였으며, 확인 결과 동일 주파수에서 수신 신호세기가 미약할수록 방향 탐지 오차가 크게 발생함을 확인할 수 있 었다. 이는 주변 지형지물에 의해 반사파가 다중 경로로 진행되면서 신호세기가 저하 되고 실제 안테나로 입사되는 방향이 변경되어 입사되었기 때문으로 판단된다.
이는 장비의 주변에 해당 주파수에 공진하는 특정 구조의 영향으로 분석되었다. 전체적인 RMS 오차의 원인은 방향 탐지 계산 프로세스가 획득 빈도수가 많은 대표 측정 방위 값을 기준으로 일정 범위의 방위 측정값을 평균하여 최종 방향 탐지값을 계산하므로 반사파로 인해 유입되는 허상 신호(특히 낮은 신호세기를 가짐)에 대한 방향값이 방향 탐지 계산 프로세스에 반영됨으로써 오차가 발생하는 것으로 분석되었다. 이는 그림 10과 같이 특정 시간내 수집된 신호를 측정 방위각 별 수집 횟수로 나타낸 히스토그램을 통해 확인할 수 있었다.
본 논문에서 제안한 프로세스를 적용하여 방향 탐지 정확도가 어느 정도 개선이 되었는지 검증하기 위하여 대역별 특정 주파수에 대한 결과를 살펴보았다. 제안된 프로세스는 주파수 정보에 독립적으로 적용되므로 대역별 일부 주파수에 대한 결과로 개선 결과를 확인할 수 있다. HF 대역(주파수 γ MHz)은 약 2.
즉, 전파환경이 양호한 지역에서 측정된 방향 탐지 정확도 값(그림 7∼8) 대비 실 야전환경의 방향 탐지 정확도가 감소하는 것으로 확인되었다.
측정 결과 전파환경이 양호지역 대비 RMS 오차는 약 2.5° 이상 증가하였으며, 특정 주파수 대역에서 상대적으로 오차가 크게 나타남을 확인할 수 있었다.
측정결과 RMS β°로 전파환경이 양호한 경우에는 적용된 알고리즘이 실 장비에서도 충분히 적용 가능함을 확인할수 있었다.
후속연구
기존 프로세스는 수신된 모든 신호를 방향 탐지 계산에 활용한 것에 반해 제안된 프로세스는 신뢰도가 낮은 즉, 신호 세기가 낮은 신호를 방향 탐지 산출에서 배제함으로써 결과값의 정확도를 향상시킬 수 있었다. 본 논문에서 제안하는 프로세스는 적용 주파수와 무관하므로 향후 방향 탐지를 하는 모든 장치에 적용될 수 있을 것으로 기대된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
방향 탐지(direction finding : DF) 기술이란?
현대전에서 전자전은 전자파 사용과 관련된 군사활동을 총망라하는 것으로써 적의 전파 수집/감청, 정보분석 및 전파를 이용한 대응공격으로 대변된다[1]. 그중 적에 대한 정보를 획득하기 위해 적의 전파신호를 수집하여 주파수 정보, 신호 세기 등을 이용하여 전파가 발생되는 방향을 찾는 것이 핵심 기술로 방향 탐지(direction finding : DF) 기술이라고 한다. 이 기술은 미지의 방향에서 도래한 신호의 입사 방향을 추정하는 기술로 1차 세계대전 이후 군사적 인 목적을 위해 사용되어 왔으며, 최근에는 주파수 자원 관리 등을 위해 전파관리국이나 스마트 안테나의 빔 성형기법을 활용하는 이동통신분야, 소나어레이를 이용한 어군 탐지 등 다양한 민간 분야에서도 사용되고 있다 [2-5].
방향 탐지 장치는 무엇에 근거하여 능동형 방향 탐지와 수동형 방향 탐지로 구분할 수 있나?
이 기술은 미지의 방향에서 도래한 신호의 입사 방향을 추정하는 기술로 1차 세계대전 이후 군사적 인 목적을 위해 사용되어 왔으며, 최근에는 주파수 자원 관리 등을 위해 전파관리국이나 스마트 안테나의 빔 성형기법을 활용하는 이동통신분야, 소나어레이를 이용한 어군 탐지 등 다양한 민간 분야에서도 사용되고 있다 [2-5]. 이러한 방향 탐지 장치는 자가 전파 방사 유무에 따라 능동형 방향 탐지와 수동형 방향 탐지로 구분할 수 있다. 즉, 능동형 방향탐지방법은 목표를 향해 스스로 전파를 방사하여 방사되는 신호를 측정하는 것에 비해 수동형 방향 탐지는 전파를 송신하지 않고 목표물에서 발생되는 신호를 수집해 방향을 탐지하므로 자기 위치 노출의 단점이 없다는 장점을 가진다.
방향 탐지비교방법에 따른 진폭비교, 위상비교 및 도플러 방향 탐지의 장단점은?
또한 방향 탐지비교방법에 따라 진폭비교, 위상비교 및 도플러 방향 탐지로 구분할 수 있다. 진폭비교방향탐지는 수신된 신호 세기의 차로부터 도래방향의 정보를 획득하는 기법으로 방향 탐지 정확도는 비교적 낮으나 구조가 간단하여 조기 경보체계나 레이더의 개략 방향을 알아내어 자신을 보호하려는 시스템에 적용된다. 위상 비교를 활용하는 장비의 방향 탐지는 수신기별로 수신되는 신호의 위상정보를 통해 입사방향을 결정하는 것으로 진폭 비교에 비해 상대적으로 빠른 계산속도와 대용량의 메모리를 요구하며 정확도가 높다. 도플러 방향 탐지는 수신기가 움직임에 따라 안테나에 입사된 주파수가 도플러 편이(doppler shift)를 갖는 것을 이용하는 방법으로 수신기가 움직여야 하는 제약사항이 있다.
참고문헌 (14)
www.lignex1.com/view/product/product05.jsp
Cotter, C. H., The Principles and Practice of Radio Direction Finding, London : Pitman, 1961.
D. L. Adamy, EW 103 Tactical Battlefield Communications, Artech House, pp. 203-212, 2009.
E. Tuncer, B. Friedlander, Classical and Modern Direction-of-Arrival Estimation, Elsevier Inc., pp. 1-32, 2009.
S. Chandran, Advances in Direction-of-Arrival Estimation, Artech House, pp. 3-19, 2006.
Watson, D. W., Radio Direction Finding, New York : Van Norstrand Reinhold, 1971.
Richard A. Poisel, Introduction to Communication Electronic Warfare Systems, Artech House, pp. 331-359, 2002.
J.-W. Yang, J.-H. Choi, S.-P. Nah, Y.-M. Park, Critical Design for Watson-Watt Direction Finding Equipment, ADD TEDC-509-051337, pp. 5-8, 2005.
Y.-M. Park, J.-W. Yang, J.-H. Choi, The Preliminary Design for Correlation Vector Direction Finding, ADD TEDC-509-050588, pp. 2-13, 2005.
C.-S. Park, D.-Y. Kim, The Fast Correlation Vector Direction Finder Conversion, Journal of the Institute of Electronics and Information Engineers vol. 43, pp. 1497-1504, 2006.
Hayes, Monson H., Statistical Digital Signal Processing and Modeling, John Wiley & Sons, Inc., pp. 88-97, 1996.
Schmidt, R.O, "Multiple Emitter Location and Signal Parameter Estimation," IEEE Trans. Antennas Propagation, vol. AP-34, pp. 276-280, Mar. 1986. DOI: https://doi.org/10.1109/TAP.1986.1143830
R. Roy and T. Kailath, "ESPRIT-estimation of signal parameters via rotational invariance techniques," IEEE Transactions on Acoustics, Speech, and Signal Processing, vol. 37, no. 7, pp. 984-995, Jul. 1989. DOI: https://doi.org/10.1109/29.32276
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